MEMS加速度傳感器的原理及構(gòu)造

1、-. z.微系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用加速度傳感器的原理與構(gòu)造班級：2012機(jī)自實(shí)驗(yàn)班指導(dǎo)教師：*小組成員：*大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院二OO五年十一月-. z.摘要隨著硅微機(jī)械加工技術(shù)(MEMS)的迅猛開展,各種基于MEMS技術(shù)的器件也應(yīng)運(yùn)而生,目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的就有壓力傳感器、加速度傳感器、光開關(guān)等等,它們有著體積小、質(zhì)量輕、本錢低、功耗低、可靠性高等特點(diǎn),而且因?yàn)槠浼庸すに囈欢ǔ潭壬吓c傳統(tǒng)的集成電路工藝兼容,易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化以及批量生產(chǎn),因而從問世起就引起了廣泛關(guān)注,并且在汽車、醫(yī)藥、導(dǎo)航和控制、生化分析、工業(yè)檢測等方面得到了較為迅速的應(yīng)用。其中加速度傳感器就是廣泛應(yīng)用的例子之一。加速度傳感器的原理

2、隨其應(yīng)用而不同，有壓阻式，電容式，壓電式，諧振式等。本文著手于不同加速度傳感器的原理、制作工藝及應(yīng)用展開，能夠使之更加全面了解加速度傳感器。關(guān)鍵詞：加速度傳感器，壓阻式，電容式，原理，構(gòu)造-. z.目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc4359912541 壓阻式加速度傳感器 PAGEREF _Toc435991254 h 1HYPERLINK l _Toc4359912551.1 壓阻式加速度傳感器的組成 PAGEREF _Toc435991255 h 1HYPERLINK l _Toc4359912561.2 壓阻式加速度傳感器的原理 PAGEREF _To

3、c435991256 h 1HYPERLINK l _Toc4359912571.2.1 敏感原理 PAGEREF _Toc435991257 h 1HYPERLINK l _Toc4359912581.2.2 壓阻系數(shù) PAGEREF _Toc435991258 h 1HYPERLINK l _Toc4359912591.2.3 懸臂梁分析 PAGEREF _Toc435991259 h 1HYPERLINK l _Toc4359912601.3 MEMS壓阻式加速度傳感器制造工藝 PAGEREF _Toc435991260 h 1HYPERLINK l _Toc435991261構(gòu)造局部

4、PAGEREF _Toc435991261 h 1HYPERLINK l _Toc435991262硅帽局部 PAGEREF _Toc435991262 h 1HYPERLINK l _Toc435991263鍵合、劃片 PAGEREF _Toc435991263 h 1HYPERLINK l _Toc4359912642電容式加速度傳感器 PAGEREF _Toc435991264 h 1HYPERLINK l _Toc4359912652.1電容式加速度傳感器原理 PAGEREF _Toc435991265 h 1HYPERLINK l _Toc4359912662.1.1 電容器加速度傳

5、感器力學(xué)模型 PAGEREF _Toc435991266 h 1HYPERLINK l _Toc435991267電容式加速度傳感器數(shù)學(xué)模型 PAGEREF _Toc435991267 h 1HYPERLINK l _Toc4359912682.2電容式加速度傳感器的構(gòu)造 PAGEREF _Toc435991268 h 1HYPERLINK l _Toc435991269機(jī)械構(gòu)造布局的選擇與設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc435991269 h 1HYPERLINK l _Toc435991270材料的選擇 PAGEREF _Toc435991270 h 1HYPERLINK l _Toc435

6、991271工藝的選擇 PAGEREF _Toc435991271 h 1HYPERLINK l _Toc435991272具體構(gòu)造及加工工藝 PAGEREF _Toc435991272 h 1HYPERLINK l _Toc4359912733 其他加速度傳感器 PAGEREF _Toc435991273 h 1HYPERLINK l _Toc4359912743.1 光波導(dǎo)加速度計(jì) PAGEREF _Toc435991274 h 1HYPERLINK l _Toc4359912753.2微諧振式加速度計(jì) PAGEREF _Toc435991275 h 1HYPERLINK l _Toc43

7、59912763.3熱對流加速度計(jì) PAGEREF _Toc435991276 h 1HYPERLINK l _Toc4359912773.4壓電式加速度計(jì) PAGEREF _Toc435991277 h 1HYPERLINK l _Toc4359912784 加速度傳感器的應(yīng)用 PAGEREF _Toc435991278 h 1HYPERLINK l _Toc4359912794.1原理 PAGEREF _Toc435991279 h 1HYPERLINK l _Toc4359912804.2 功能 PAGEREF _Toc435991280 h 1HYPERLINK l _Toc43599

8、1281參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc435991281 h 1-. z.壓阻式加速度傳感器壓阻式器件是最早微型化和商業(yè)化的一類加速度傳感器。這類加速度傳感器的懸臂梁上制作有壓敏電阻，當(dāng)慣性質(zhì)量塊發(fā)生位移時:會引起懸臂梁的伸長或壓縮，改變梁上的應(yīng)力分布，進(jìn)而影響壓敏電阻的阻值.壓阻電阻多位于應(yīng)力變化最明顯的部位。這樣，通過兩個或四個壓敏電阻形成的電橋就可實(shí)現(xiàn)加速度的測量。其特點(diǎn)在于壓阻式加速度傳感器低頻信號好、可測量直流信號、輸入阻抗低、且工作溫度圍寬，同時它的后處理電路簡單、體積小、質(zhì)量輕，因此在汽車、測振、航天、航空、航船等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。1.1 壓阻式加速度傳感器的組成MEMS壓阻

9、式加速度傳感器的敏感元件由彈性梁、質(zhì)量塊、固定框組成。壓阻式加速度傳感器實(shí)質(zhì)上是一個力傳感器，他是利用用測量固定質(zhì)量塊在受到加速度作用時產(chǎn)生的力F來測得加速度a的。在目前研究尺度，可以認(rèn)為其根本原理仍遵從牛頓第二定律。也就是說當(dāng)有加速度a作用于傳感器時，傳感器的慣性質(zhì)量塊便會產(chǎn)生一個慣性力:F=ma,此慣性力F作用于傳感器的彈性梁上，便會產(chǎn)生一個正比于F的應(yīng)變。，此時彈性梁上的壓敏電阻也會隨之產(chǎn)生一個變化量R，由壓敏電阻組成的惠斯通電橋輸出一個與R成正比的電壓信號V。1.2壓阻式加速度傳感器的原理本系統(tǒng)的信號檢測電路采用壓阻全橋來作為信號檢測電路。電橋采用恒壓源供電，橋壓為。設(shè)、為正應(yīng)變電阻，

10、、為負(fù)應(yīng)變電阻，則電橋的輸出表達(dá)式為:我們在電阻布局設(shè)計(jì)、制造工藝都保證壓敏電阻的一致性，因此可以認(rèn)為有的壓敏電阻和壓敏電阻的變化量都是相等的，即:則電橋輸出的表達(dá)式變?yōu)?1.2.1 敏感原理本論文采用的是壓阻式信號檢測原理，其核心是半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng).壓阻效應(yīng)是指當(dāng)材料受到外加機(jī)械應(yīng)力時，材料的體電阻率發(fā)生變化的材料性能。晶體構(gòu)造的形變破壞了能帶構(gòu)造，從而改變了電子遷移率和載流子密度，使材料的電阻率或電導(dǎo)發(fā)生變化。一根金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為：式中，電阻絲的電阻率;電阻絲的長度;電阻絲的截面積。當(dāng)電阻絲受到拉力作用時，將伸長，橫截面積相應(yīng)減少,電阻率則因晶格發(fā)生變形等因素的影

11、響而改變，故引起電阻值變化。對全微分，并用相對變化量來表示，則有式中的為電阻絲的軸向應(yīng)變.常用單位。假設(shè)徑向應(yīng)變?yōu)?，由材料力學(xué)可知，式中為電阻絲材料的泊松系數(shù)，又因?yàn)?，代入式可得靈敏系數(shù)為對于半導(dǎo)體電阻材料，即因機(jī)械變形引起的電阻變化可以忽略，電阻的變化率主要由引起，即可見，壓阻式傳感器就是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而工作的。1.2.2 壓阻系數(shù)最常用的半導(dǎo)體電阻材料有硅和鍺，摻入雜質(zhì)可形成P型或N型半導(dǎo)體。其壓阻效應(yīng)是因在外力作用下，原子點(diǎn)陣排列發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子遷移率及濃度發(fā)生變化而形成的。由于半導(dǎo)體(如單晶硅)是各向異性材料，因此它的壓阻效應(yīng)不僅與摻雜濃度、溫度和材料類型有關(guān)，還與晶向有

12、關(guān)。壓阻效應(yīng)的強(qiáng)弱可以用壓阻系數(shù)來表征。壓阻系數(shù)被定義為單位應(yīng)力作用下電阻率的相對變化。壓阻效應(yīng)有各向異性特征，沿不同的方向施加應(yīng)力和沿不同方向通過電流，其電阻率變化會不一樣。晶軸坐標(biāo)系壓阻系數(shù)的矩陣可寫成由此矩陣可以看出，獨(dú)立的壓阻系數(shù)分量只有、三個。稱為縱向壓阻系數(shù); 稱為橫向壓阻系數(shù); 稱為剪切壓阻系數(shù).必須強(qiáng)調(diào)一下，、是相對于晶軸坐標(biāo)系三個晶軸方向的三個獨(dú)立分量。有了晶軸坐標(biāo)系的壓阻系數(shù)之后，就可求出任意晶向的縱向壓阻系數(shù)及橫向壓阻系數(shù)。設(shè)*晶面的晶向的方向余弦為、，其*一橫向的方向余弦為、，則可求出:如果單晶體在此晶向上同時有縱向應(yīng)力的作用，則在此晶向上(必須是電流流過方向)的電阻率

13、相對變化，可按下式求得:此式說明，在同一晶體上由兩局部組成，一局部是由縱向壓阻效應(yīng)引起的，一局部是由橫向壓阻效應(yīng)引起的。下表給出了硅和鍺中的獨(dú)立壓阻系數(shù)分量的值。硅和鍺的獨(dú)立壓阻系數(shù)材料類型電阻率P-Si7.86.6-1.1138.1N-Si11.7-102.253.4-13.6P-Ge1.1-3.73.296.7N-Ge9.9-4.7-5-137.91.2.3 懸臂梁分析懸臂梁根部的橫向受力：質(zhì)量塊的質(zhì)量；懸臂梁的寬度和厚度，；質(zhì)量塊中心至懸臂梁根部的距離；加速度懸臂梁的電阻的相對變化率：1.3 MEMS壓阻式加速度傳感器制造工藝為加工出圖示的加速度傳感器,主要采用以下加工手段來實(shí)現(xiàn)。采用注

14、入、推進(jìn)、氧化的創(chuàng)新工藝來制作壓敏電阻；采用KHO各向異性深腐蝕來形成質(zhì)量塊；并使用AES來釋放梁和質(zhì)量塊；最后利用鍵合工藝來得到所需的治構(gòu)造。使用的是400m厚、N型(100)晶向、電阻率p=2-4的雙面拋光硅片。構(gòu)造局部工藝步驟工藝剖面圖初次清洗，熱氧化300 第一次光刻，反響離子刻蝕余厚400-800硼離子注入去膠硼驅(qū)入，具體工藝包括清洗、驅(qū)硼、氧化等二次光刻，反響離子刻蝕去膠濃硼擴(kuò)散，工藝容包括清洗、擴(kuò)散、低溫氧化、漂氧化硅、推進(jìn)、熱氧化第三次光刻，反響離子刻蝕BHF漂正反面LPCVD 3500 1200第六次光刻，腐蝕Au/Cr，去膠第七次刻蝕，反響離子刻蝕刻蝕，ICP刻硅釋放構(gòu)造去

15、膠，去導(dǎo)熱硅脂硅帽局部鍵合、劃片-. z.2 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器，在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如發(fā)動機(jī)，數(shù)控車床等等。它具有電路構(gòu)造簡單，頻率圍寬約為0450Hz，線性度小于1%，靈敏度高，輸出穩(wěn)定，溫度漂移小，測量誤差小，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，輸出阻抗低，輸出電量與振動加速度的關(guān)系式簡單方便易于計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。2.1電容式加速度傳感器原理電容式加速度傳感器是基于電容原理的極距變化型的電容傳感器，其中一個電極是固定的，另一變化電極是彈性膜片。彈性膜片在外力(氣壓、液壓等)作用下發(fā)生位移，使電容量發(fā)生變化。這種傳感器可以測量氣流(或液流)的振動速度(或加速度)，還可以進(jìn)

16、一步測出壓力。2.1.1 電容器加速度傳感器力學(xué)模型電容式加速度傳感器從力學(xué)角度可以看成是一個質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)，加速度通過質(zhì)量塊形成慣性力作用于系統(tǒng)，如圖一所示。根據(jù)牛頓第二定律,對于該力學(xué)模型,可以列寫出以下二階微分方程：其中將上式進(jìn)展零初始條件下的拉普拉斯變換,得由此可得以加速度作為輸入變量，質(zhì)量塊相對殼體位移為輸出變量；傳遞函數(shù)為可見,如果將傳感器的殼體固定在載體上,只要能把質(zhì)量塊在敏感軸方向相對殼體的位移測出來,便可以把它作為加速度的間接度量。由上式可見，傳感器無阻尼自振角頻率為傳感器阻尼比為從上式可以看出，當(dāng)處于常加速度輸入下的穩(wěn)態(tài)時，其質(zhì)量塊相對殼體位移趨于如下穩(wěn)態(tài)值：由上式可見，

17、質(zhì)量塊越大，彈性系數(shù)越小，即系統(tǒng)無阻尼自振角頻率越低，則電容式加速度傳感器靈敏度越高。穩(wěn)態(tài)靈敏度為：電容式加速度傳感器數(shù)學(xué)模型當(dāng)加速度時，質(zhì)量塊位于平衡位置，兩差動電容相等，即當(dāng)加速度a不為0 時，質(zhì)量塊受到加速度引起的慣性力產(chǎn)生位移*，兩差動電容間隙分別變?yōu)榭傻貌顒臃绞綍r總的電容變化量為質(zhì)量塊由于加速度造成的微小位移可轉(zhuǎn)化為差動電容的變化，并且兩電容的差值與位移量成正比?？傻幂斎爰铀俣萢和差動電容變化的關(guān)系為由加速度變化到敏感電容變化的靈敏度為電容式加速度傳感器的分辨率受到電容檢測電路分辨率的限制，分辨率為2.2電容式加速度傳感器的構(gòu)造機(jī)械構(gòu)造布局的選擇與設(shè)計(jì)當(dāng)前大多數(shù)的電容式加速度傳感器都

18、是由三局部硅晶體圓片構(gòu)成的，中層是由雙層的SOI硅片制成的活動電容極板。如圖一所示，中間的活動電容極板是由八個彎曲彈性連接梁所支撐，夾在上下層兩塊固定的電容極板之間。提高精度很重要的一項(xiàng)措施就是采用差動測量方式，極提高了信噪比。因此，電容式MEMS加速度傳感器幾乎全部采用差動構(gòu)造。電容式Mems加速度傳感器的構(gòu)造布局1根本構(gòu)造的選擇電容式 MEMS加速度傳感器有許多種機(jī)械構(gòu)造，。選擇好的機(jī)械構(gòu)造，將有助于滿足和提高傳感器的性能，如固有頻率、量程、機(jī)械強(qiáng)度、對載荷的響應(yīng)等等。另外，微加速度計(jì)的構(gòu)造尺寸除了要滿足上述條件外，隨著尺寸的縮小，一些在運(yùn)動中起主導(dǎo)作用的因素將發(fā)生變化。比方靜電力、分子之

19、間的相互作用力、空氣產(chǎn)生的阻尼力等，這些在宏觀中被忽略掉的因素將是影響微構(gòu)造性能的主要因素。因此在設(shè)計(jì)中也應(yīng)該把這些因素考慮在。在進(jìn)展構(gòu)造設(shè)計(jì)時，要考慮的主要約束條件有：a.量程具有一定的量程是設(shè)計(jì)加速度傳感器的主要目的。通過構(gòu)造設(shè)計(jì)、材料力學(xué)等來分析傳感器的最大測量圍。b.剛性約束條件要求加速度計(jì)在慣性力的作用下，懸臂梁或者撓性軸的最大撓度應(yīng)小于材料所允許的最大相對撓度。c.彈性約束條件要求懸臂梁或者撓性軸上的應(yīng)力不超過材料本身的許用應(yīng)力，以保證構(gòu)造工作在彈性圍。d.諧振頻率約束加速度計(jì)相當(dāng)于一個低通濾波器，為了保證有足夠?qū)挼墓ぷ黝l率，希望加速度計(jì)的諧振頻率盡可能高些。但是，諧振頻率又不能太

20、高，以保證有較高的靈敏度。因此，總是希望加速度計(jì)的諧振頻率在一定的圍。2. 彈性梁的選擇彈性梁的設(shè)計(jì)在MEMS加速度計(jì)中是十分關(guān)鍵的一個局部，其構(gòu)造直接影響到傳感器的量程、分辨率、橫向靈敏度、抗高過載能力等參數(shù)(梁的根本構(gòu)造如表1所示 )。合理選擇梁的構(gòu)造類型，是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。表2列出了不同彈性梁與質(zhì)量塊組合時的性能特點(diǎn)。3. 過載保護(hù)構(gòu)造的設(shè)計(jì)硅微彈性梁作為MEMS器件的根本組成局部，它的幾何尺寸和材料屬性會直接影響微器件的工作性能、抗高過載能力，以及構(gòu)造穩(wěn)定性。高過載條件下微構(gòu)造的受力形式主要表現(xiàn)為慣性力，而慣性力作為外力作用在構(gòu)件上時，產(chǎn)生構(gòu)件力，且力會隨沖擊加速度的增加而增大，當(dāng)沖擊加

21、速度到達(dá)*一限度時，就會導(dǎo)致微構(gòu)造破壞。假設(shè)要保證MEMS加速度計(jì)在高過載條件下不失效，則組成的 MEMS加速度計(jì)的微構(gòu)件必須滿足：足夠的抵抗破壞能力、足夠的抵抗變形能力和保持原有平衡狀態(tài)的能力。而這些要求均與材料的力學(xué)性能有關(guān)。材料的力學(xué)性能指標(biāo)主要包括：比例極限(彈性極限) p、屈服極限s、強(qiáng)度極限(抗拉強(qiáng)度)b、彈性模量E、延伸率和斷面收縮率等。因此在構(gòu)造設(shè)計(jì)中，常采用止擋塊構(gòu)造來限制敏感質(zhì)量塊運(yùn)動的最大位移。材料的選擇MEMS加速度計(jì)用到的材料比擬多，不同的局部很有可能采用不同的材料。例如用于做襯底的襯底材料，用于做掩膜的掩膜材料，用于外表微加工的犧牲層材料等等。微加速度計(jì)常用的材料有

22、單晶硅、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、多晶硅等等，具體哪種材料用于哪一局部不是固定的，需要在設(shè)計(jì)過程中根據(jù)其物理化學(xué)性質(zhì)以及在加速度計(jì)中的作用加以綜合考慮。因?yàn)樵搨鞲衅鲃討B(tài)要求比擬高，因此在進(jìn)展完構(gòu)造設(shè)計(jì)，得到構(gòu)造的尺寸以后，進(jìn)展有限元分析是必不可少的。運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對加速度計(jì)模型進(jìn)展分析，可以得到下面的結(jié)果：(1)進(jìn)展靜力分析，可以發(fā)現(xiàn)承受應(yīng)力最大的部位。(2)進(jìn)展模態(tài)分析，可以得到構(gòu)造的固有頻率和各固有頻率下的振型。(3)進(jìn)展瞬態(tài)動力學(xué)分析，可以得到構(gòu)造對外界鼓勵的響應(yīng)。通過以上有限元分析的結(jié)果，可以進(jìn)一步改良設(shè)計(jì)，使所設(shè)計(jì)的加速度計(jì)具有更好的性能。工藝的選擇電容式MEMS加速度

23、計(jì)的工藝一般采用的有：外表工藝、體硅工藝、LIGA工藝及 SOI+DRIE工藝等。如表 3對這幾種工藝進(jìn)展了比照。外表工藝是在集成電路平面工藝根底上開展起來的一種微工藝，只進(jìn)展單面光刻。它利用硅平面上不同材料的順序淀積和選擇腐蝕來形成各種微構(gòu)造。主要包括犧牲層淀積、犧牲層刻蝕、構(gòu)造層淀積、構(gòu)造層刻蝕、犧牲層去除(釋放構(gòu)造)等。最后使構(gòu)造材料懸空于基片之上，形成各種形狀的二維或三維構(gòu)造。體硅工藝是指沿著硅襯底的厚度方向?qū)枰r底進(jìn)展刻蝕的工藝，包括濕法刻蝕和干法刻蝕，是實(shí)現(xiàn)三維構(gòu)造的重要方法。為了形成完整的微構(gòu)造，往往在加工的根底上用到鍵合或粘接技術(shù)，將硅的鍵合技術(shù)和體硅加工方法結(jié)合起來。硅的微構(gòu)

24、造經(jīng)過屢次掩膜、單面或雙面光刻以及各向異性刻蝕等工藝而成，然后將有關(guān)局部精細(xì)對準(zhǔn)鍵合成一整體。體硅加工工藝過程比硅外表加工復(fù)雜，體積大，本錢高。SO1+DRIE工藝是體硅工藝的一種延伸與開展。利用絕緣體上硅(SOI)制造單晶硅三維微構(gòu)造是最近幾年開展異常迅速的方法。利用SOI制造微構(gòu)造的方法幾乎都是利用DINE(深反響離子刻蝕)對單晶硅進(jìn)展深刻蝕。根據(jù)構(gòu)造的不同、性能要求等可采用正面構(gòu)造釋放和反面構(gòu)造釋放。具體構(gòu)造及加工工藝工藝過程中所選取的都是n-type100的，兩層鏡面的SOI硅晶層，處理層厚度800 25m，設(shè)備層厚度為30m，氧化層厚度為2m，圖案化淹模要以的晶向排列，前后面精度分別

25、為1.5m和3m。濕法刻蝕的KOH濃度是40%，溫度保持在50度。具體步驟由圖二所示電容式加速度傳感器制造過程a確定上下極板間的電容間距b用KOH對兩面的SiO2進(jìn)展?jié)穹涛gc等SiO2層被去除，新的氧化層會在兩面重新生成，繼續(xù)用KOH進(jìn)展?jié)穹涛g直到SiO2層被完全去除d在兩面涂上光刻膠作為濕法刻蝕的梁構(gòu)造e去除光刻膠以后兩面重新被氧化生成SiO2，隨后再EVG-100覆蓋f利用剩下的光刻膠進(jìn)展刻蝕然后移除光刻膠g等刻蝕完成，對稱梁構(gòu)造形成h利用對稱構(gòu)造確認(rèn)中間梁位置i上下兩層形成2m的SiO2對稱氧化層來隔絕上中下三層j隨后通過梁構(gòu)造中間層與上下層連接K控制480度的粘接溫度隨后在1100

26、度下保存一小時。-. z.3 其他加速度傳感器3.1 光波導(dǎo)加速度計(jì)光波導(dǎo)加速度計(jì)的原理如以下圖所示：光源從波導(dǎo)1進(jìn)入，經(jīng)過分束局部后分成兩局部分別通入波導(dǎo)4和波導(dǎo)2，進(jìn)入波導(dǎo)4的一束直接被探測器2探測，而進(jìn)入波導(dǎo)2的一束會經(jīng)過一段微小的間隙后進(jìn)入波導(dǎo)3，最終被探測器1探測到。有加速度時，質(zhì)量塊會使得波導(dǎo)2彎曲，進(jìn)而導(dǎo)至其與波導(dǎo)3的正對面積減小，使探測器1探測到的光減弱。通過比擬兩個探測器檢測到的信號即可求得加速度。3.2微諧振式加速度計(jì)諧振式加速度計(jì)，Silicon Oscillating Accelerometer，簡稱SOA。一根琴弦繃緊程度不同時彈奏出的聲音頻率也不同，諧振式加速度計(jì)的

27、原理與此一樣。振梁一端固定，另一端一質(zhì)量塊，當(dāng)振梁軸線方向有加速度時梁會受到軸線方向的力，梁中力變化，其固有頻率也相應(yīng)發(fā)生變化。假設(shè)對梁施加一確定的激振，檢測其響應(yīng)就可測出其固有頻率，進(jìn)而測出加速度。激振的施加和響應(yīng)的檢測通常都是通過梳齒機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。SOA的特點(diǎn)在于，它是通過改變二階系統(tǒng)本身的特性來反映加速度的變化的，這區(qū)別與電容式、壓電式和光波導(dǎo)式的加速度計(jì)。SOA常見的構(gòu)造有S構(gòu)造和雙端固定音叉Double-ended Tuning Fork，DETF兩種。S構(gòu)造原理圖如以下圖所示，DEFT式就是在質(zhì)量塊的另一半加上和左邊對稱的一套機(jī)構(gòu)。DEFT是目前SOA的主流構(gòu)造。3.3熱對流加速度計(jì)

28、熱對流加速度的原理與其他加速度計(jì)有根本上的區(qū)別，其他加速度計(jì)的原理都是建立在一個二階系統(tǒng)的根底之上，而熱對流加速度計(jì)采用的是完全不同的原理。一個被放置在芯片中央的熱源在一個空腔中產(chǎn)生一個懸浮的熱氣團(tuán)，同時由鋁和多晶硅組成的熱電偶組被等距離對稱地放置在熱源的四個方向。在未受到加速度或水平放置時，溫度的下降陡度是以熱源為中心完全對稱的。此時所有四個熱電偶組因感應(yīng)溫度而產(chǎn)生的電壓是一樣的見以下圖。由于自由對流熱場的傳遞性，任何方向的加速度都會擾亂熱場的輪廓，從而導(dǎo)致其不對稱。此時四個熱電偶組的輸出電壓會出現(xiàn)差異，而熱電偶組輸出電壓的差異是直接與所感應(yīng)的加速度成比例的。在加速度傳感器部有兩條完全一樣的

29、加速度信號傳輸路徑：一條是用于測量*軸上所感應(yīng)的加速度，另一條則用于測量Y軸上所感應(yīng)的加速度。由于熱對流加速度計(jì)中沒有可運(yùn)動的質(zhì)量塊，所以其制造工藝相對簡單，也比擬容易加工，而且其抗沖擊性能非常好，可抗五萬倍重力加速度的加速度。但環(huán)境溫度對熱對流加速度計(jì)的影響較大，而溫度變化會導(dǎo)致零點(diǎn)漂移；同時熱對流加速度計(jì)的頻響圍低，通常是小于35Hz。3.4壓電式加速度計(jì)壓電式加速度計(jì)的數(shù)學(xué)和物理模型與壓阻式和電容式的加速度計(jì)類似，都是通過測量二階系統(tǒng)中質(zhì)量塊的位移來間接測量加速度，三者的差異就是在于測量這個質(zhì)量塊位移的方法。壓電式加速度計(jì)利用了壓電效應(yīng)，或者更確切地說，是利用了正壓電效應(yīng)，即*些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時其部產(chǎn)